Разработка технологии сварки титана и его сплавов в обитаемой камере с инертной контролируемой средой » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Разработка технологии сварки титана и его сплавов в обитаемой камере с инертной контролируемой средой

02.11.2020

Высокая прочность, малый удельный вес, исключительная коррозионная устойчивость во многих средах и немагнитность открывают широкие перспективы применения титана и его сплавов в технике. Однако для еще более широкого использования титана необходимо решить ряд проблем, связанных с большой химической активностью его при высоких температурах (выше 500°). которая значительно усложняет термопластическую обработку и особенно сварку.

Качество шва зависит от эффективности защиты сварочной ванны в процессе сварки от воздействия окружающей атмосферы (воздуха). Как показывает опыт постройки подводных лодок по проектам 661 и 705, в сложных конструкциях существуют такие соединения, где надежно защитить обратную сторону шва практически не представляется возможным (односторонние соединения на подкладной планке, кольце, труднодоступные для обычного сварочного оборудования места и др.). Это вызывает необходимость применения сложных технологических приемов, приспособлений, а также больших затрат на ремонт дефектных мест, появляющихся при сварке.

Перспективные разработки современных конструкций из новых высокопрочных титановых сплавов, в которых опасность возникновения трещин еще более велика (из-за малой работы распространения трещин), заставляют искать новые методы эффективной защиты сварочной ванны. С учетом вышеизложенного в ЦНИИ металлургии и сварки был разработан метод сварки в обитаемых камерах с инертной контролируемой средой, в которой обеспечивается надежная защита сварного шва в процессе сварки конструкций любой конфигурации и сложности путем химической очистки инертного газа. Кроме того, осуществляется контроль газовой среды в любой заданный промежуток времени.

Подробное описание камеры «Атмосфера-1» и результаты первых экспериментов по сварке приведены в работе. На основании этих данных в ЦНИИ металлургии и сварки был разработан и спроектирован ряд типовых проектов промышленных крупногабаритных обитаемых камер с инертной контролируемой средой («Атмосфера-2» объемом 300 м3; «Атмосфера-3» объемом 600 м3; «Атмосфера-4» объемом 100 м3), основным назначением которых является сварка различных конструкций подводных лодок, энергетических установок, авиационной и оборонной техники из титана и его сплавов.

Как известно, наиболее активными элементами, которые интенсивно поглощаются титаном при высокотемпературной обработке (сварке), являются кислород, водород, азот, влага и соединения кислорода с углеродом (CO и CO2), Общее количество этих примесей в сварном шве определяется их содержанием в основном металле, присадочной проволоке и газовой фазе. При сварке на воздухе со струйной защитой было изучено влияние различных концентраций кислорода, азота и водорода на свойства сварных соединений из сплава 48-ОТЗВ, а также установлено их предельное содержание в основном металле, присадочной проволоке и инертном газе — аргоне. На основании результатов работ были проведены первые эксперименты в камере с атмосферой аргона марки А по ГОСТ 10157—62 без применения химической очистки. Они показали, что качество сварных швов не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сварным соединениям из сплава 48-ОТ3В. Так, например, ударная вязкость при ручной сварке проволокой BT1 с содержанием 0 0006% Н2 колебалась от 4 3 до 6.2 кгс*м/см2. Поэтому потребовалось провести дополнительную химическую очистку инертного газа В металле швов, выполненных в камере с применением системы химической очистки, содержание кислорода и азота осталось на том же уровне, что и в присадочной проволоке, а содержание водорода снизилось до 0,0002вес. %. Пои этом ударная вязкость металла шва составляла 11,6—12,7 кгс*м/см2.

Взаимодействие титана с кислородом, азотом, водородом и другими примесями при сварке в камере с инертной средой следует рассматривать как гетерогенную реакцию, включающую в себя 2 фазы: газообразную, нагретую до высоких температур за счет выделения тепла в столбе дуги и состоящую из ионизированного инертного газа и имеющихся в нем вредных примесей, и жидкую, которая представляет собой расплавленный титан.

Гетерогенная реакция в свою очередь определяется процессами внешней массопередачи, процессами, протекающими на границе раздела фаз, и процессами отвода прореагировавших веществ из зоны реакции, т. е. внутренней массопередачей. Как известно. скорость такой реакции зависит от соотношения скоростей указанных процессов и определяется скоростью процесса, протекающего наиболее медленно. В ряде работ, в которых исследовалась кинетика взаимодействия кислорода с титаном в интервале температур 100—1000°. показано, что скорость взаимодействия титана подчиняется параболическому закону в интервале 300—900° и не зависит от парциального давления в газовой фазе. Однако с повышением температуры скорость процесса увеличивается и подчиняется линейной зависимости.

Кроме того, установлено, что понижение парциального давления кислорода от 0 35 мм рт. ст. снижает скорость реакции, которая начинает зависеть от давления кислорода в газообразной фазе, т. е. скорость поглощения кислорода зависит от внешней массопередачи.

Установление оптимального состава аргона для сварки в камерах типа «Атмосфера»


Влияние количества примесей в среде аргона (кислорода, азота и водорода) на насыщение ими металла шва определялось при ручной сварке неплавящимся вольфрамовым электродом диаметром 5 мм на образцах размером 300х220х25 мм из сплавов 48 ОТЗ и 48-ОТ3В с V-образной разделкой кромок. При сварке была использована присадочная проволока из сплава BT1 диаметром 3 и 5 мм, сертификатные данные которой приведены в табл. 1.
Разработка технологии сварки титана и его сплавов в обитаемой камере с инертной контролируемой средой

Перед загрузкой вся поверхность образцов и присадочной проволоки обезжиривалась ацетоном и обезвоживалась спиртом. Сварка вы полнилась за несколько проходов. Первый и второй проходы выполнялись присадочной проволокой диаметром 3 мм при силе тока 180—200 а, последующие — присадочной проволокой диаметром 5 мм при силе тока 270—300 а.

После сварки поверхность сварного шва не зачищалась. Из верхней части сварного шва вырезались образцы для определения содержания кислорода, азота, водорода.

Количество примесей в газовой фазе (аргоне) изменялось: кисло рода — от 0 до 0,005%; водорода — от 0 до 0,2%, азота — от 0,08 до 0,6%, окиси углерода — от 0 до 0,6%. Количество влаги в аргоне определялось по точке росы, которая изменялась в пределах от -45 до -65°. Анализ количества примесей в газовой смеси (аргоне) производился на масс-спектрометрах МХ-1305 и МХ-1302 (погрешность измерения ±0,005%). Отбор аргона из камеры производился в начале, в середине и в конце сварки на расстоянии 1 м от места сварки.

Результаты анализов содержания примесей в аргоне и металле шва приведены в табл. 2.

Из каждой пластины вырезались образцы для определения ударной вязкости наплавленного металла. Величина ударной вязкости в зависимости от содержания кислорода, азота и водорода в среде аргона камеры приведена в табл. 3. Анализ полученных данных позволяет установить некоторые общие закономерности влияния вредных примесей, содержащихся в аргоне камеры, на механические свойства сварного шва, по которым может быть определено предельное (допустимое) количество примесей в аргоне камеры.

Влияние кислорода. Как известно, наиболее активным элементом является кислород, который бурно реагирует с титаном при высоких температурах, образуя при этом не только окислы, но и твердые растворы (в зависимости от его концентрации в газовой фазе).

Присутствие кислорода в аргоне камеры даже в тысячных долях процента приводит к повышенному содержанию его в сварном шве и снижению вязких свойств наплавленного металла. Поэтому в среде аргона при сварке в обитаемых камерах подобного типа содержание кислорода не должно превышать тысячной доли объемного процента (точка росы не выше -60°).

Влияние азота. Азот менее активен, чем кислород (примерно в 50 раз). Это подтверждается результатом проведенных работ. При анализе данных табл. 2 и 3 видно, что при имевшихся концентрациях азота в аргоне камеры существенного снижения пластических свойств сварного соединения не происходит и количество его в шве находится в допустимых пределах. Однако в связи с тем, что процессы взаимодействия азота с жидким титаном при сварке мало изучены, а степень его влияния на механические свойства титана все же достаточно велика, количество азота в среде аргона обитаемых камер не должно превышать 0,1 об. %.

Влияние водорода. Влияние водорода изучалось по изменению ударной вязкости металла шва в зависимости от содержания его в газовой фазе при сварке в камере (рис. 1). По мере увеличения концентрации водорода в среде аргона количество его в металле шва увеличивается, а ударная вязкость шва уменьшается. Поэтому содержание водорода в аргоне при сварке в камере должно составлять 0,002—0,009%.

С учетом изложенного были разработаны рекомендации по допустимому количеству вредных примесей в среде аргона для сварки в обитаемых камерах типа «Атмосфера» титановых сплавов толщиной до 5 мм и более (табл. 4).

Разработка режимов сварки в обитаемых камерах с инертной контролируемой средой


Исследование влияния режимов ручной сварки в камере на глубину проплавления и формирование сварного шва


Сварка проводилась путем наплавки валиков на плоскую пластину размером 300х120х20 мм из титанового сплава 48-ОТ3 присадочной проволокой диаметром 3 и 6 мм. При этом в среде аргона имелись следы кислорода, азота, водорода, углекислого газа, температура в камере составляла 21—25°, избыточное давление 1,5—2 мм рт.ст. и температура точки росы —58°.

Наплавка производилась водоохлаждаемой горелкой неплавящимся лантанированным вольфрамовым электродом диаметром 5 мм. После наложения валиков производилась разрезка пластин как по поперечной, так и по продольной оси шва с последующим обмером геометрических размеров шва. Изменение параметров режима сварки и результаты замеров геометрических размеров шва приведены в табл. 5 и на рис. 2—4. Как видно из этих данных, при сварке в камере в среде аргона при малых силах тока и малых скоростях режимы сварки практически не отличаются от режимов сварки на воздухе со струйной защитой.

Формирование сварного шва, как показывают опыты при сварке в камере при силе тока до 400 а и скорости сварки в пределах 10—27 см/мин, удовлетворительное и проходит без образования газовых полостей (рис. 5).


В процессе сварки в камере при силе тока выше 400 а даже при сравнительно небольших скоростях (10—12 см/мин) начинается образование газовых полостей в наплавленном металле по зоне сплавления, которые по мере увеличения силы тока и скорости сварки увеличиваются, переходя при скорости 27 см/мин в сплошные газовые полости протяженностью до 60 мм.

Сварные стыковые соединения с X образной и V-образной разделками подвергались металлографическим исследованиям. Определялись также их механические свойства. У соединений, представленных на рис. 6, замерялась микротвердость наплавленного металла, зоны термического влияния и основного металла. Сварка производилась на режимах, приведенных в табл. 5. Кроме того, для сравнения механических свойств образцы с односторонней разделкой сваривались как в камере, так и на воздухе со струйной защитой.

Результаты исследования показали, что механические свойства сварного шва, выполненного на воздухе со струйной защитой, при обеспечении надежности защиты шва от воздействия воздуха находятся практически на одном уровне с механическими свойствами швов, выполненных в камере, хотя пластичность швов, выполненных в камере с аргоном, несколько выше. Кроме того, стабильность качества швов, выполненных в камере, также выше, чем при сварке на воздухе со струйной защитой.

Для выявления склонности к образованию холодных трещин во времени на сварных швах, выполненных в камере со средой аргона, проводилась сварка жестких кольцевых проб по существующей методике. Химический состав и механические свойства сплава 48-ОТ3В (по сертификату) были следующими: 4,45% Al, 1,55% V, 0,05% С, 0,03% N2, 0,12% O2; ов =76,2 кгс/мм2, о0,2=68,2—68,3 кгс/мм2; b = 14%, w = 37%, ан = 10—10,4 кгс*м/см2.


Размеры жестких проб приведены на рис. 7, а режимы их сварки — в табл. 6. В качестве присадочного металла применялась проволока марки BT1 диаметром 3 и 5 мм плавок 19182 и 19668, сертификатные данные которых приведены в табл. 1.

Для создания более жестких условий сваривались 3 пробы с различной степенью заполнения разделки: наполовину, заподлицо с основным металлом и с усилением по ОП-74017-596—64.

Вредных примесей в среде аргона было несколько больше, чем рекомендуется в табл. 4. При этом создавались более жесткие условия для выявления склонности к образованию холодных трещин. В аргоне камеры содержалось до 0,02% H2; 0,005% O2; 0,16 -0,21% N2; до 0,05% CO. Температура точки росы от -47 до -62°.

После сварки пробы подвергались рентгеноконтролю, при этом трещин в сварных швах и зоне термического влияния обнаружено не было. После вылеживания в течение 6 месяцев был произведен повторный рентгеновский и люминесцентный контроль, которым трещин также не было обнаружено.

Кроме того, исследовали послойные и поперечные шлифы, вырезанные из проб после вылеживания. Эскиз вырезки шлифов из жестких проб показан на рис. 8. Исследованиями установлено, что трещины на сварных швах кольцевых проб отсутствуют.

Таким образом, даже при сварке с повышенным содержанием вредных примесей в среде аргона камеры склонности к образованию холодных трещин на сварных швах обнаружено не было.

С учетом того, что основную номенклатуру узлов, которые рекомендуется сваривать в обитаемых камерах с инертной средой, будут составлять различные узлы, состоящие из трубопроводов разных сочетаний, где обратная сторона шва при сварке на воздухе со струйной защитой находится в значительно худших условиях, чем сам шов. В камере «Атмосфера-1» было исследовано несколько типов подобных сварных соединений из труб. При этом сварка узлов производилась одним сварщиком как в камере, так и на воздухе со струйной защитой. Количество вредных примесей в аргоне камеры в каждом отдельном случае было разным. Анализ газа во всех случаях проводился в начале и конце сварки.

В качестве присадочного металла применялась проволока из сплава 48-Т7 диаметром 2 и 3 мм, содержание примесей в которой приведено в табл. 7.

Сварка трубных конструкций из труб размером диаметра 18x2,5 мм осуществлялась ручной горелкой неплавящимся вольфрамовым электродом диаметром 3 мм.

Для того чтобы определить влияние формы разделки и зазора на формирование обратной стороны шва, было выбрано два варианта формы разделки — с суммарным углом раскрытия 60 и 80°. Лучшие результаты были получены при угле 80° и зазоре равном нулю. При этом притупление кромок составляло 0,2 мм. Поэтому в дальнейших исследованиях был выбран этот тип разделки. Первый проход выполнялся при силе тока 90 а без присадочного металла, последующие проходы — при силе тока 75—80 а с присадочной проволокой из сплава 48-Т7 диаметром 2 мм. В среде аргона камеры содержалось следующее количество вредных примесей. 0,005—0,0009% О2, до 0.002% Н2, 0,14—0,21% N2, 0,01—0,05% CO и 0,044—0,05% СО2. Температура точки росы была —62°. Внешний вид сварного соединения, испытанного на загиб, представлен на рис. 9.

Сварка в камере была проведена с различной скоростью охлаждения. В одном случае образцы сваривались в среде аргона, в другом — в специальном приспособлении, позволяющем охлаждать обратную сторону шва водой. Тем самым увеличивалась скорость отвода тепла из зоны сварки. Сваривались трубы размером 18x2,5 мм на режимах, отработанных ранее.

Как видно из табл. 8, вредных примесей при сварке с охлаждением было больше, однако шов не имел никаких цветов побежалости. С целью отработки оптимального состава инертной среды для сварки в камере подобного типа конструкций были сварены образцы из труб размером 18х2,5 мм при различном содержании вредных примесей в аргоне камеры. Кроме того, на этих же режимах для сравнительного анализа были сварены образцы на воздухе со струйной защитой аргоном марки А.

Данные о содержании вредных примесей в металле шва в зависимости от содержания их в аргоне камеры и результаты механических испытаний представлены в табл. 9 и 10.

Исследование микроструктуры зоны термического влияния и швов, а также результаты механических испытаний (табл. 10) показали, что существенных отличий в структуре, прочности и пластичности металла швов, выполненных в камере и на воздухе со струйной защитой, не имеется.

При сварке теплообменных аппаратов из титана и его сплавов возникают большие трудности, связанные с обеспечением надежной защиты обратной стороны шва. Наиболее характерным типом сварного соединения для данных конструкций является соединение труб с трубной доской. Сварка в камере таких соединений в основном проводилась для установления возможности окисления обратной стороны шва и изучения процесса образования пор.

Качество оценивалось методом сравнительного анализа образцов, сваренных в камере и на воздухе со струйной защитой, по замерам микротвердости, рентгенограммам и контролю на гелиевую плотность. Как в камере, так и на воздухе со струйной защитой были сварены образцы двух видов: с механической развальцовкой и с развальцовкой, выполненной методом взрыва. При анализе результатов измерений микротвердости было замечено, что шов, сваренный на воздухе со струйной защитой, больше подвержен воздействию вредных примесей, чем шов, выполненный в камере, так как микротвердость (по Виккерсу) соответственно составляла 300—340 и 240—280 единиц. Испытания на гелиевую плотность показали одинаковые результаты; в обоих случаях негерметичность не была обнаружена. Количество пор, как показал рентгеноконтроль, в обоих случаях оказалось приблизительно одинаковым и, очевидно, мало зависело от качества защиты.

Заключение


В результате исследований были определены требования к составу инертной среды (аргону) по допустимому количеству в ней вредных примесей. На основе этого были разработаны требования, предъявляемые к оборудованию для сварки и высокотемпературной обработки титана и его сплавов, а также требования по подготовке поверхности деталей к сварке в камерах с инертной средой.

Кроме того, были разработаны режимы сварки для различных типов сварных соединений из сплавов 48-ОТ3 и 48-ОТ3В.

В результате анализа качества швов, выполненных в камере и на воздухе со струйной защитой, было установлено, что швы, сваренные в камере, имеют более высокие и стабильные механические свойства.

Практические рекомендации, сделанные на основании проведенного исследования, учтены в инструкции № И-1173—65 по сварке различных конструкций в камерах типа «Атмосфера» с инертной контролируемой средой.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: